山岭重丘区高应力软岩大变形隧道施工技术研究

冯 斌

（中交路桥南方工程有限公司,北京 101121）

0 引言

山岭重丘区高应力软岩大变形隧道施工环节存在着较为棘手的技术难题。软岩自身的变形速度快，且变形量分布不均、持续时间长，施工环节很容易出现位移超量、塌方、冒顶等问题，给施工人员生命安全带来威胁，造成严重的人员、经济损失。新时期我国公路工程向着地形、地势更复杂的区域发展，如何克服该类技术问题，实现施工质量和效能的优化，成为各界关注的焦点问题。

1 山岭重丘区高应力软岩变形特点

围岩变形情况是公路隧道施工环节必须关注的重点问题。隧道开挖会直接破坏围岩原有结构框架，使其产生弹性变形或塑性变形，给施工带来一定影响。在山岭重丘区高应力软岩大变形隧道施工过程中，这种影响会更加明显，主要体现在以下几方面：一是围岩变形速度快，变形初期表现尤为明显，流变特征突出且持续时间长，很容易对衬砌、支护造成破坏，使其出现扭曲、断裂等问题。与之相比，坚硬围岩的施工条件要好很多，可以在开挖变形后迅速稳定下来，变形速率也相对较小。二是围岩变形量较大，由于岩体本身易破碎、易风化，因此开挖后很容易出现塑性变形情况，进而导致破坏问题。常见的破坏形式非常多样，比如喷射混凝土脱落、钢架变形、拱顶坍塌[1]等。三是围岩变形压力增长快。山岭重丘区高应力软岩性能较为特殊，开挖后会在短时间内出现风化破碎问题，因此压力增长较快，若施工支护较为科学合理，该种变形尚可以得到有效遏制，若支护衬砌不及时，很容易出现安全事故。

2 山岭重丘区高应力软岩大变形隧道施工案例概况

为直观说明山岭重丘区高应力软岩大变形隧道施工技术要点，文章以某地公路隧道工程为例加以论述。该隧道全长65.4 km，隧道洞身穿过大型山脉带，地形切割较为明显，多处分布着断裂构造带，施工区域最大埋深1 432 m，最大地应力30.6 MPa。采用双洞分修方案，两线路之间相距35.7~46.2 m，另外设置了平导、外移平导，共计四线平行开挖。隧洞周边岩体类型较为多样，包含灰岩、炭质千枚岩等，开挖后呈现碎块状，可以在较短时间内风化破碎。对局部区域进行开挖试验和勘查后发现，开挖面的收敛变形速度相对较快，有明显的坍塌、掉块现象，可能会对支护体系产生挤压和破坏（见表1）。为减少地质地形条件带来的不利影响，规避围岩变形过快、变形量过大导致的支护变形、衬砌开裂风险，该次综合使用了复合式衬砌策略、长短锚杆群锚支护策略等，对施工方案进行优化调整，下面对技术细节展开论述。

表1 YD362+750~YD362+775段测量结果

3 山岭重丘区高应力软岩大变形隧道施工控制技术分析

3.1 圆形断面开挖技术

此次施工引入BIM技术、FLAC3D技术进行模型搭建和模拟分析。搭建内容包含隧道围岩结构、隧道开挖结构等，综合参考地质钻孔资料，选取适宜的断面开挖形式。现阶段可用的开挖形式较为多样，主要包含圆形、椭圆形、马蹄形等，不同形式的特征优势不同，开挖技术也存在一定差异。对于山岭重丘区高应力软岩大变形隧道来讲，圆形断面的适用性是最高的，由于其轮廓较为圆顺，且不存在转折、隅较，因此各方向受力情况较为均衡，有助于提升围岩稳定性和初支结构可靠性。同时，高应力软岩本身的变形量大、压力增长快，圆形断面也能够更好地调和隧道顶压、侧压参数，确保其与底部隆起压力的协调分配[2]。在圆形断面的基础上，配合进行了双层支护设计，经分析发现能够有效地维持围岩稳定性，防止初支开裂塌陷。

3.2 平导优化设计技术

隧道平导主要起到辅助施工作用，可以较好地改善主洞施工环境。案例工程方案设计初期，采用了三线并行开挖思路，平导位于中央区域，左右线同时开工。经过现场开挖试验和勘探后发现，大变形段地质条件较为复杂，页岩、炭质页岩等广泛分布，辉绿岩脉大量侵入，分布规律不明显，施工环节不仅容易受到高地应力影响，还会受高瓦斯等因素威胁。且正线平导部分围岩变形也十分明显，经量化测量判定为严重大变形，具有变形速率高、压力大的鲜明特征，部分支护体系受此影响，也出现了破坏问题。以YD362+820断面为例，区域内竖直、水平方向均出现了变形收敛情况，变形、收敛量分别达到了371.25 mm和131.6 mm，对双层支护钢架产生了较大压力，钢架局部出现扭曲、折断问题，平导的通风、排水工作也难以保障。当前右线施工相对滞后，但如果继续沿用初期设计方案，势必会加剧变形问题，因此通过现场调研和专家论证，对方案进行了适当调整，决定将平导外移一段距离，消除群洞效应可能带来的不利影响。外移方向为右侧，距离为70 m，同时对原有平导进行回填和加固，确保围岩稳定性的提升。

3.3 注浆堵水技术

山岭重丘区高应力软岩隧道开挖环节，还需要重点关注注浆堵水问题。从设计参数看，工程衬砌对水压的承受能力是有限的，上限值设定为0.6 MPa，超过该临界值很容易出现漏水、开裂问题，给施工失败埋下隐患。案例隧道部分区段下穿高川河区，测量长度约83 m，河流水位较为稳定。从模型分析结果看，该河段灰岩较发育，岩体易破碎、易风化，隧道顶部还存在节理裂隙发育问题，后期如果与河水联通，将会造成严重的渗水、塌陷事故。基于此，施工环节引入了连续超前周边注浆技术，与局部径向注浆技术相配合，可以在外层打造出隔水环封闭层，确保高富水区段施工顺畅性，降低后期涌水概率。注浆用料为水泥水玻璃双液浆，注浆压力控制在1 MPa左右。由于该项子工程属于高风险工程项目，因此施工环节需要进行跟踪化、动态化的监控监测管理，提前分析和确定报警阈限值，做到及时响应和及时处理。该次断面拱顶下沉速率极限值[3]设置为5 mm/d，当下沉量累计到100 mm，或者监测数据异常突变时，系统会自动发出报警信息，现场施工必须马上暂停，经过围岩注浆加固后，方可继续施工。注浆时，钻孔深度应当维持在1.5~5 m，持续注入直到浆液灌满溢出，确保浆液充分填满变形裂缝，确保围岩外侧形成结构完整、强度较高的防水环体系，防止异常变形问题和渗水冒顶问题扩散蔓延。

3.4 台阶及仰拱开挖技术

从既有的软弱围岩隧道施工案例看，分部法是较为常用的开挖技术方案，根据操作细节不同，又可以划分为预留核心土环形开挖、交叉中隔壁开挖等类型，能够较好地应对软弱围岩施工技术难题。案例工程岩体本身较为脆弱，整体走向为N40~60°E，倾向NW，勘查发现山脉穿越褶皱发育，岩层倾角较大，为65~85°，隧道开挖段落地应力最大值32 MPa，采用分部开挖法是较为适宜的。具体来看，由于山脉岩层本身存在较为明显的倾斜，因此推荐使用两台阶施工方案，下台阶部分率先施工，带仰拱一次性开挖，这样可以有效减小施工扰动，避免频繁爆破带来的岩体坍塌风险，在保证开挖施工需求的同时维持岩体自稳性。一次性开挖的做法还能够扩大施工空间，方便大型设备进入，有助于缩短工期、提升效率。对于轻微或中等变形区域来讲，直接使用该种方式即可满足需求，但严重大变形区域还需要预留一定的变形量。因此，在两台阶施工的基础上，搭配使用了“临时仰拱+预留核心土”的技术方法，两期支护分别预留15 cm和25 cm，能够最大限度地保证施工安全。

3.5 隧道支护技术

案例工程位于山岭重丘区，局部构造扭曲明显，且围岩性能不太稳定，支护体系设计难度较大，若采用普通砂浆锚杆方式，钻孔环节面临的潜在风险非常大，很容易出现塌孔、缩孔等状况。对比分析后认为，采用中空锚杆较为适宜，可以较好地应对软岩大变形段施工难题，有助于强化锚杆的支撑、加固功能。钻孔环节使用专业锚杆钻机，能够较好地达到维稳、锚固目标，确保围岩抗剪强度的提升。为提升施工设计的科学性，此次还引入了地质雷达、声波探测技术[4]等，对施工区域松动区进行探查和圈定，确保锚杆参数、点位的优化。支护作业分两期进行，共使用长短两种规格锚杆，直径分别为32 mm和22 mm。对于轻微变形区段，搭配方式为短锚杆4 m+长锚杆6 m；对于中等、严重大变形区段来说，则使用短锚杆4 m+长锚杆6~8 m。不同规格的锚杆组合起来，能有效消除围岩松弛带来的不利影响，延缓变形速度的同时保证围岩稳定性。锚杆组内采用梅花形布置方式，纵横间距控制在1.0~1.2 m之间（见图1）。施工时需要按照设计点位开孔，确保钻孔、初支面处置，然后在压力注浆技术的支持下，对锚杆进行安装固定，压力值控制在0.3~0.5 MPa较为适宜，混凝土内可适当掺入早强剂等化学试剂，最大限度地减少浆料收缩带来的不利影响。注浆60 min后对混凝土进行强度检测，达到20 MPa设计值方可通过验收。支护完成后还需要加强初支变形监测，以案例工程YD362+750~YD362+975大变形段为例，此次测量主要使用了全站仪装置设备，每5 m划分一个监测断面，累计划分变形断面45个，其中轻微变形断面28个，中等、严重大变形断面17个，拱顶沉降累计值最大为287.6 mm，水平收敛累计值最大为291.6 mm。通过收敛情况分析可以发现，长短锚杆组合支护的方式能够较为明显地解决高应力软岩大变形问题，支护体系作用下围岩载荷效应也更加分散，围岩自承能力呈现出稳定上升趋势，可以降低支护破坏、衬砌受损的风险，保障高应力软岩大变形隧道顺利施工。

图1 长短锚杆群锚组合示意图

3.6 二次衬砌技术

此次工程施工规模较大、影响范围较广，为缩短工期采用了四线并行开挖方式，有助于提高施工效率，但也给衬砌施工带来了一定难度。衬砌搭建过早，很容易受群洞效应制约，出现变形超量、衬砌失败风险，搭建过晚则会增加事故隐患。通过模型分析和参数计算分析后发现，衬砌搭建环节需要重点考虑几个指标参数，在确定初支变形稳定的前提下，对安全布局情况、后行洞初支封闭情况等进行检测验收，合格后方可组织衬砌施工。满足这些条件的隧道结构相对稳定，此时施加衬砌有助于降低内轮廓控制难度，同时满足变形量预留要求。该次施工对初期支护的稳定性要求较为明确，当隧道支护水平收敛小于0.2 mm/d，且连续7天平均值达到此要求，拱顶下沉小于0.15 mm/d时，即可视为稳定性达标，可以开展二次衬砌施工。稳定性观察周期定为1个月，若限定时间内部分区段迟迟未能达到收敛稳定标准，则要采取必要的补强、注浆加固等措施。此外，并行施工下不可简单地考虑单独一线的施工情况，而要综合多线情况进行分析计算，避免群洞效应加剧垮塌风险。其中先行洞二支施工要适当后调，待到后行洞开挖至先行洞一支时再行操作，跟踪观察左右线初期支护变形情况，待到其全部收敛之后，方可进行二次衬砌施工，以达到减少相互扰动、维持作业面安全的目的。注意：该次工程二衬安全步距必须严格控制，不得超过300 m上限，若区段变形收敛时间过长、稳定速度过慢，还应及时补强优化，保证施工效率和质量的提升。

4 结语

综上所述，山岭重丘区地形地质特征较为复杂，建造软岩大变形隧道时面临的潜在风险较为多样，控制不当很容易影响施工安全和隧道质量，实践中务必要给予充分重视。要从围岩力学动态特征入手，准确把握其变化趋势和规律，综合优化圆形断面开挖技术、平导设计技术等，先控制、后释放，保障隧道修建质量。同时做好注浆堵水、隧道支护和二次衬砌工作，为施工安全性、可靠性的提升奠定坚实基础。